JP5242904B2 - 雪崩荷重抵抗堤体の設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、雪崩によって作用する荷重に抵抗する雪崩荷重抵抗用の堤体に関する。

従来、雪崩の保有する荷重や運動エネルギーに抵抗する技術として、斜面下に堤体を形成し、この堤体の山側斜面全面を例えばコンクリート製の硬質の受撃体で覆い、この堤体でもって、斜面を落下してくる雪崩の荷重を受け止める方法が提案されている。

斜面を落下してきた雪崩の荷重や衝撃力が、これを堰き止める堤体に作用する力としては、様々なパターンが存在する。図４に示すのは、斜面から押しつける積雪荷重（斜面雪圧）が、堤体によってせき留められ、長期的に荷重として作用している場合である。図５に示すのは、全層雪崩が発生し、斜面雪圧と全層雪崩の衝撃力が堤体に作用した状態を示している。図６に示すのは、表層雪崩が発生した場合を示し、このときは、斜面雪圧と表層雪崩の衝撃力が堤体に作用している。図７は地震時の作用力を示すもので、斜面雪圧と地震によって発生する慣性力が堤体に作用している。

これら様々なパターンが示すように、雪崩を堰き止める堤体に作用する荷重や衝撃力は一様ではない。この様々なパターンの荷重や衝撃力が作用しても、破壊されることなく、安定した構造を維持することができる堤体を設計するのは極めて困難であった。特に、堤体として、様々な荷重や衝撃に耐え得る構造を一様に設計するための方法は、これまで創案されていなかった。

本発明は以上の問題点を解決するためになされたもので、雪崩によって発生する様々な荷重や衝撃力に対応して、これら荷重や衝撃にも耐え得る堤体を設計できる雪崩荷重抵抗堤体の設計方法を提供することにある。

この発明にかかる雪崩荷重抵抗堤体の設計方法は、
堤体内部に上下に適宜間隔をおいて、網状補強材をほぼ水平方向に複数枚配置し、堤体の山側斜面には、その全面を覆う鉄筋コンクリート製の硬質受撃版を形成した雪崩荷重抵抗堤体の設計方法において、
（ａ）雪崩の衝撃力や作用力を求め、前記硬質受撃版のコンクリート厚さと鉄筋量を、雪崩衝撃時における弾性床上の梁として求め、
（ｂ）堤体の構造諸元として、
Ｂ１：堤体の天端幅、Ｂ２：堤体の底版幅、γｄ：堤体を構成する土塊の単位体積重量、Ｈ：堤体の高さ、φ１：堤体の受働崩壊角、θ１：堤体の受撃面勾配、θ２：堤体の背面勾配、Ｈｓ：外的作用力高さ、ＲＴ：補強材の強度、を仮定し、
（ｃ）堤体の外的安定照査に用いるパラメータとして、
雪崩衝撃時における前記構造諸元を仮定した堤体全体としての堤体の滑動安全率と、支持地盤の支持力を以下の計算によって求め、

ｄ：堤体の底版つま先から合力の作用位置までの距離、ΣＭｒ：堤体の底版つま先回りの抵抗モーメント、ΣＭｏ：堤体の底版つま先回りの転倒モーメント、ΣＶ：堤体の底版下面における全鉛直荷重

ｅ：合力の作用点の底版中央からの偏心距離

Ｆs１：堤体の滑動安全率、ΣＶ：堤体の底版下面における全鉛直荷重、ΣＨ：堤体の底版下面における全水平荷重、μ：堤体底版と支持地盤の間の摩擦係数、Ｃ_B：堤体底版と支持地盤の間の粘着力
（ｄ）堤体の内的安定照査に用いるパラメータとして、
（ｄ１）堤体の硬質受撃版の最下端から、２０°≦φ１≦４０°の一定角度のすべり面を仮定し、
（ｄ２）前記すべり面上の堤体一部が、すべり面に沿って滑動しようとするすべり力（Po1）を、以下の式によって求め、

Po:作用力
（ｄ３）前記すべり面上の堤体の荷重と補強材によって生ずる、すべり抵抗力（Pr）を、以下の式によって求め、

Ａｄ:有効断面積、
Ａ₁：堤体天端の水平面の延長線と、すべり面の延長線と、堤体の受撃面からなる仮想三角形の総面積、
Ａ₂：Ａ１における仮想部分の面積、
ｂ：堤体天端の水平面の延長線と、すべり面の延長線が交わる位置から、堤体までの水平距離、
ｈ：すべり面と堤体背面が交わる位置から堤体天端までの高さ

Wd:堤体の有効重量、γd:単位体積重量

Pr:１ｍあたりの滑り抵抗力、φ:土砂の内部摩擦角、Kp:受動土圧係数、ΔH:補強材の敷設間隔、C:補強効果による見かけの粘着力、L:滑り線の距離
（ｃ４）前記すべり抵抗力とすべり力の比からすべり安全率（Fs2）を以下の式によって求め、

（ｅ）堤体の外的安定照査として、
（ｅ１）前記偏心距離ｅが常時│ｅ│≦Ｂ／６（ｍ）、地震時│ｅ│≦Ｂ／３（ｍ）を満足し、
（ｅ２）前記堤体の滑動安全率Ｆs１が、常時で１．５、地震時には１．２を下回らないようにし、
（ｅ３）支持地盤の支持力の確保条件として、長期荷重に対する地盤の極限支持力からなる安全率Fs３が、Fs３＝２．０を満足するようにし、
（ｆ）堤体の内的安定照査として、
すべり安全率Ｆs２が１．０以上を満足するようにし、
（ｇ）
前記（ｅ）を満たすまで、前記（ｂ）、（ｃ）の工程を繰り返し、且つ
前記（ｆ）を満たすまで、前記（ｂ）〜（ｅ）の工程を繰り返し、
（ｈ）
前記（ａ）〜（ｇ）の工程を行って、堤体の構造を決定するものである。

この発明にかかる雪崩荷重抵抗堤体によれば、雪崩によって発生する様々な荷重や衝撃力が作用しても破壊されることなく、その荷重や衝撃力に抵抗して、安定した性能を保つようその安全率を求めることができ、予め雪崩の荷重・衝撃を想定して、その安全な構造を設計することができる。

雪崩によって発生する荷重や衝撃力の様々なパターン（図４〜図７）に対応して、それに耐え得る構造をひとつの方法で設計でき、その設計方法が極めて簡易化される。

この発明に係る雪崩荷重吸収堤体の設計方法は、雪崩によるすべり力と、すべり抵抗力の比を安全率として求め、その許容値以上で、堤体を設計するものである。

＜イ＞堤体の構造
図１に本発明に係る雪崩荷重吸収堤体１の例を示す。堤体１は、その断面形状が台形であって、斜面の山側には、落下物などの衝撃物を受け止める受撃版３を有している。堤体１の内部には、ほぼ水平面の方向に補強材２を上下に適宜間隔離して積層して配置してある。以下各部について詳述する。

＜ロ＞堤体
堤体１は最終的に落下物などの衝撃物の運動エネルギーを支持する構造体で、盛土によって形成してある。堤体１の内部には、縦横に交差させて編んだ鋼線の芯材の周囲にアラミド繊維などの合成樹脂を被覆した網状構造材である補強材２を、階層的に埋設する等して形状の安定を図っておく。補強材２は、ほぼ水平面に敷くもので、複数枚を上下に適宜間隔をあけて配置する。間隔は、等間隔にするとより設計が容易になる。

＜ハ＞受撃版
受撃版３は、雪崩の衝撃力に抵抗する板体であり、堤体１の山側斜面の全面を覆うように構築する。構築は、堤体１の山側斜面に沿って格子状の鉄筋を配筋し、その上にコンクリートを打設して行う。

＜ニ＞設計フロー
図２に示すのは、雪崩荷重吸収堤体の設計手順のフロー図である。先ず、雪崩が堤体に及ぼす衝撃力や作用力を計算する。次に、堤体１の構造諸元を仮定する。この仮定の構造に基づいて、堤体１の外的安定照査を行う。外的安定照査条件が決定した後、内的安定照査条件を決定する。この条件に基づき、内的安定を照査し、安定すれば、設計を終了する。安全率を満たさなければ、再度、構造諸元を仮定しなおし、外的安定照査、内的安定照査をやり直し、安全率を満たすまで行う。

＜ホ＞雪崩衝撃力・作用力の計算
堤体１に作用する雪崩４の衝撃力・作用力は、次の数式１によって求める。ここでγは雪崩の単位体積重量、Ｖは雪崩４の速度、ｈ’は雪崩の層厚、ｇは重力加速度を表わす。

＜ヘ＞受撃版の設計
堤体１の雪崩４を受ける山側の面には、その全面にコンクリートの受撃版３を構築して覆う。受撃版３は、雪崩衝撃荷重を受けた場合に、弾性床上の梁として、コンクリート厚及び鉄筋量を算出する。コンクリートの設計基準強度は、σ_ck＝24N/mm²を標準とする。

＜ト＞構造諸元の仮定
上で求めた雪崩４の衝撃力に基づいて、堤体１の構造諸元を仮定する。図２において、堤体１の天端幅B１、堤体の底版幅B２、堤体を構成する土塊の単位体積重量γｄ、堤体１の高さH、堤体１の受働崩壊角φ１、堤体１の受撃面勾配θ１、堤体１の背面勾配θ２、外的作用力高さHｓ、補強材２の強度ＲＴを決定する。

＜チ＞外的安定照査
上記のように構造諸元を仮定した堤体１につき、外的安定照査を行う。外的安定とは、堤体１全体の構造としての転倒・滑動・支持力について計算によって求めるもので、道路土工、擁壁工指針に基づいて行う。この外的安定計算は、堤体１の網掛部の自重による簡易すべり解析によって行う。転倒に対する安全率は、次の数式に基づいて行う。転倒に対する安全条件として、偏心距離eは、常時│e│≦B/6(ｍ)、地震時│e│≦B/3(ｍ)を満足するようにする。

ｄ：堤体の底版つま先から合力の作用位置までの距離、ΣＭｒ：堤体の底版つま先回りの抵抗モーメント、ΣＭｏ：堤体の底版つま先回りの転倒モーメント、ΣＶ：堤体の底版下面における全鉛直荷重

ｅ：合力の作用点の底版中央からの偏心距離

滑動に対する安全率は次の数式によって求める。滑動に対する安全率Ｆs１は、常時で1.5、地震時には1.2を下回らないようにする。

Ｆs１：堤体の滑動安全率、ΣＶ：堤体の底版下面における全鉛直荷重、ΣＨ：堤体の底版下面における全水平荷重、μ：堤体底版と支持地盤の間の摩擦係数、Ｃ_B：堤体底版と支持地盤の間の粘着力

支持地盤の支持力に対する安定も、道路土工、擁壁工指針に基づいて計算するもので、盛土部の地盤反力については、通常盛土荷重が均等に分布するものとし、盛土自重と同程度の地盤反力に対して支持地盤の支持力が安定であればよいものとする。地盤の支持力に対する安全率は、長期荷重に対する地盤の極限支持力がFs３＝2.0を満足するようにする。

＜リ＞内的安定照査
内的安定とは、堤体１の局部的な安定を意味するもので、雪崩４による衝撃作用力と堤体１の自重による簡易すべり解析によって行う。内的安定は、堤体１のすべり面上の土塊重量と作用力の比から、すべり安全率を求めて照査する。すべり安全率の許容値は、Fs２≧1.0とする。簡易すべり解析は、堤体１下端から発生するすべり面上の土塊重量と、作用力の比からすべり安全率を求めて照査を行う。この時の堤体１のすべり面角度φ１（受働崩壊角）は２０度〜４０度が好適である。次に示す数式４は、堤体１の有効断面の計算方法である。

Ａｄ:有効断面積、
Ａ₁：堤体天端の水平面の延長線と、すべり面の延長線と、堤体の受撃面からなる仮想三角形の総面積、
Ａ₂：Ａ１における仮想部分の面積、
ｂ：堤体天端の水平面の延長線と、すべり面の延長線が交わる位置から、堤体までの水平距離、
ｈ：すべり面と堤体背面が交わる位置から堤体天端までの高さ

前記した数式によって求めた有効断面から、堤体１の有効重量を導く。この式を次の数式として記述する。

Wd:堤体の有効重量、γd:単位体積重量

上記で求めた堤体１の有効重量から、すべり抵抗力を求める。この式を次の数式として記載する。

雪崩によるすべり力（Po1）は、次に記載する数式６によって求める。

Po:作用力

１ｍあたりのすべり抵抗力（Pr）は、次の数式によって求める。

Pr:１ｍあたりの滑り抵抗力、φ:土砂の内部摩擦角、Kp:受動土圧係数、ΔH:補強材の敷設間隔、C:補強効果による見かけの粘着力、L:滑り線の距離

このようにして導き出したすべり力とすべり抵抗力の比によって、堤体１の安全率（Fs2）を求める。この式を次の数式に表わす。

以上の計算によって、すべり安全率（Fs2）が1.0以上でなければ、再び構造諸元の仮定に戻り、堤体１の構造を仮定して、外的安定照査、内的安定照査を行い、すべり安全率（Fs2）が1.0以上となるまで繰り返す。
そして、この工程を、想定される雪崩パターン毎に行うことにより、堤体１が雪崩の荷重や衝撃力に対して安定を保つかどうかを照査して、その設計を行う。このようにして、雪崩の様々な荷重や衝撃パターンに対応可能な堤体１とする。

内的安定照査の前に、外的安定照査を行って、堤体の滑動安全率（Ｆs１）及び長期荷重に対する地盤の極限支持力からなる安全率（Fs３）の条件が満足できなければ、その段階で構造諸元の再仮定に戻って、再度計算し直すこともある。

堤体の断面図である。 堤体の設計フロー図である。 堤体のすべり面における作用力と抵抗力を示す概念図である。 堤体に作用する雪崩荷重を示す断面図である。 堤体に作用する雪崩荷重を示す断面図である。 堤体に作用する雪崩荷重を示す断面図である。 堤体に作用する雪崩荷重を示す断面図である。

１：堤体
２：補強材
３：受撃版
４：雪崩

Claims (1)

1. 堤体内部に上下に適宜間隔をおいて、網状補強材をほぼ水平方向に複数枚配置し、堤体の山側斜面には、その全面を覆う鉄筋コンクリート製の硬質受撃版を形成した雪崩荷重抵抗堤体の設計方法において、
   （ａ）雪崩の衝撃力や作用力を求め、前記硬質受撃版のコンクリート厚さと鉄筋量を、雪崩衝撃時における弾性床上の梁として求め、
   （ｂ）堤体の構造諸元として、
   Ｂ１：堤体の天端幅、Ｂ２：堤体の底版幅、γｄ：堤体を構成する土塊の単位体積重量、Ｈ：堤体の高さ、φ１：堤体の受働崩壊角、θ１：堤体の受撃面勾配、θ２：堤体の背面勾配、Ｈｓ：外的作用力高さ、ＲＴ：補強材の強度、を仮定し、
   （ｃ）堤体の外的安定照査に用いるパラメータとして、
   雪崩衝撃時における前記構造諸元を仮定した堤体全体としての堤体の滑動安全率と、支持地盤の支持力を以下の計算によって求め、
   

   

   ｄ：堤体の底版つま先から合力の作用位置までの距離、ΣＭｒ：堤体の底版つま先回りの抵抗モーメント、ΣＭｏ：堤体の底版つま先回りの転倒モーメント、ΣＶ：堤体の底版下面における全鉛直荷重
   

   

   ｅ：合力の作用点の底版中央からの偏心距離
   

   

   Ｆs１：堤体の滑動安全率、ΣＶ：堤体の底版下面における全鉛直荷重、ΣＨ：堤体の底版下面における全水平荷重、μ：堤体底版と支持地盤の間の摩擦係数、Ｃ_B：堤体底版と支持地盤の間の粘着力
   （ｄ）堤体の内的安定照査に用いるパラメータとして、
   （ｄ１）堤体の硬質受撃版の最下端から、２０°≦φ１≦４０°の一定角度のすべり面を仮定し、
   （ｄ２）前記すべり面上の堤体一部が、すべり面に沿って滑動しようとするすべり力（Po1）を、以下の式によって求め、
   

   

   Po:作用力
   （ｄ３）前記すべり面上の堤体の荷重と補強材によって生ずる、１ｍあたりのすべり抵抗力（Pr）を、以下の式によって求め、
   

   

   Ａｄ:有効断面積、
   Ａ₁：堤体天端の水平面の延長線と、すべり面の延長線と、堤体の受撃面からなる仮想三角形の総面積、
   Ａ₂：Ａ１における仮想部分の面積、
   ｂ：堤体天端の水平面の延長線と、すべり面の延長線が交わる位置から、堤体までの水平距離、
   ｈ：すべり面と堤体背面が交わる位置から堤体天端までの高さ
   

   

   Wd:堤体の有効重量、γd:単位体積重量
   

   

   Pr:１ｍあたりの滑り抵抗力、φ:土砂の内部摩擦角、Kp:受動土圧係数、ΔH:補強材の敷設間隔、C:補強効果による見かけの粘着力、L:滑り線の距離
   （ｄ４）前記すべり抵抗力とすべり力の比からすべり安全率（Fs2）を以下の式によって求め、
   

   

   （ｅ）堤体の外的安定照査として、
   （ｅ１）前記偏心距離ｅが常時│ｅ│≦Ｂ／６（ｍ）、地震時│ｅ│≦Ｂ／３（ｍ）を満足し、
   （ｅ２）前記堤体の滑動安全率Ｆs１が、常時で１．５、地震時には１．２を下回らないようにし、
   （ｅ３）支持地盤の支持力の確保条件として、長期荷重に対する地盤の極限支持力からなる安全率Fs３が、Fs３＝２．０を満足するようにし、
   （ｆ）堤体の内的安定照査として、
   すべり安全率Ｆs２が１．０以上を満足するようにし、
   （ｇ）
   前記（ｅ）を満たすまで、前記（ｂ）、（ｃ）の工程を繰り返し、且つ
   前記（ｆ）を満たすまで、前記（ｂ）〜（ｅ）の工程を繰り返し、
   （ｈ）
   前記（ａ）〜（ｇ）の工程を行って、堤体の構造を決定することを特徴とする、
   雪崩荷重抵抗堤体の設計方法。

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